Открытие школы – Осень 2024

La Sea
  1. Главная
  2. »
  3. articles
  4. »
  5. Певческий голос. Часть 1: Поем слова. Природа и физика звука.

Певческий голос. Часть 1: Поем слова. Природа и физика звука.

Оглавление

Что такое звук?

Человеческий голос может быть речевым, певческим и шепотным. Люди могут кричать, стонать, имитировать различные звуки голосом. Звук голоса – физическое явление, а значит может быть точно проанализирован и вписан в формальные закономерности. Это распространение колебаний частиц воздуха в виде волн сгущения и разряжения.

На видео приводится визуализация звуковых волн в специальной установке.

Природа звука голоса идентична звуку музыкальных инструментов. Например, на рисунке ниже, показан механизм возникновения колебаний струны. Пунктирная линия – графическое изображение образующихся волн:

Певческий голос. Часть 1: Поем слова. Природа и физика звука.
  • а) – струна оттянута, но воздушная среда еще спокойна.
  • б) – струна отпущена. Появилась первая волна сгущения. На месте, где была струна, образовалось разрежение.
  • в) – пошла вторая волна и создалось второе разряжение. Первая волна начала двигаться в обратном направлении.
  • г), д) – образование последующих волн сгущения и разрежения. График дает периодическую кривую – синусоиду.

Звуковая волна НЕ переносит ту среду, в которой распространяется. Частицы среды колеблются сами и передают колебания соседям. Это легко проверить – при прохождении звука через стену квартиры кирпичи остаются на месте. Посмотрите на брошенный в воду камень. И здесь вода не перемещается, а лишь колеблется:

Певческий голос. Часть 1: Поем слова. Природа и физика звука.

Какие еще важные параметры есть у звуковых колебаний:

  • Длина волны – расстояние между соседними “гребнями”.
  • Амплитуда – размах колебания от нейтрального положения (уровня).

Человеческий голос “начинается” в голосовых связках. Более точно, но непривычно, их называть голосовыми складками. Сближаясь и напрягаясь в потоке выдыхаемого воздуха, они начинают колебаться. При этом под ними образуется повышенное “подсвязочное” давление.

Родившиеся звуковые волны бегут во все стороны, рано или поздно встречая препятствия. Так, звук не только проходит по воздушным путям наружу, но и распространяется по внутренним тканям организма. Это вызывает ощущения вибрации в груди и голове. Ниже показана схема распространения звуковых волн от голосовых связок.

Певческий голос. Часть 1: Поем слова. Природа и физика звука.

Белые линии – волны, идущие внутри организма и практически не достигающие окружающего пространства. Черные линии – волны, способные выйти наружу. Видно, что только часть звуковой энергии достигнет уха слушателя.

Распространение голоса нужно рассматривать в контексте двух моментов. Как ведет себя звук:

  • в голосовой трубке певца, т.е. внутри организма.
  • в наружном пространстве, когда выходит изо рта.

Интересно, что перемещение воздушной среды не влияет на распространение звука. Небольшой ветер на расстояниях 10-20 метров почти не изменит характеристики бегущих волн. Даже если он встречный. Только очень сильный ветер сможет отнести звук в сторону.

Тут можно вспомнить известный вокальный миф про «озвученное дыхание». Это когда советуют «направлять» звук к губам, носу, зубам. Почувствуйте разницу:

  • Звуковая волна распространяется в воздухе, заключенном в голосовой трубке, по законам акустики. Она идет во все стороны.
  • Воздух же движется по трубке следуя другим, аэродинамическим законам. Воздушная струя имеет определенное направление. При этом, как мы указали ранее, движение воздуха не влияет на распространение колебаний. Воздушный поток нужен для того, чтобы привести в действие голосовые связки, создать нужное подсвязочное давление.

Поэтому «озвученного дыхания» в действительности не существует. Проведите еще эксперимент: скажите несколько слов не на выдохе, а на вдохе. Слова будут слышны, но воздух то изо рта идти не будет. Наоборот! Поэтому движение воздушной струи следует всегда рассматривать отдельно от движения звуковых волн.

Далее мы приведем еще аргументы в противовес теории озвученного дыхания и направленного певческого звука.

Распространяясь от голосовых связок, звук ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния. Для вокалиста это, безусловно, печально. Посмотрите на схему ниже. Там показано размазывание звуковой энергии на площадь, вчетверо большую при удалении от источника звука в два раза.

Певческий голос. Часть 1: Поем слова. Природа и физика звука.

Шумы и тоны. Музыкальный звук

Тут все просто:

  • Если у звука есть точная высота – он тоновый. Можно выделить четкую периодичность колебаний и определенную частоту. Периодичность колебаний и порождает ощущение высоты звука.
  • Если точной высоты нет – это шум. Колебания шумов непериодичны.

Человек способен воспроизвести оба типа звуков.

Все гласные имеют тоновый характер, глухие согласные с,п,ч,ш – шумовой. Пение осуществляется именно на гласных. Отметим также, что при использовании техники экстрим-вокала, также производятся шумовые звуки. Экстрим строится на расщеплении звука за счет ложных связок и хрящей. Примеры такой техники: драйв, гроулинг, скрим. Их шумовая природа, думаем, не вызывает сомнений при первом же прослушивании.

Всякий музыкальный звук характеризуется высотой, силой и тембром. Но в певческом голосе вокалистами выделяются не только эти характеристики. Голос образно могут назвать льющимся или прямым, округлым или плоским, мягким или жестким, резким блестящим металлическим или матовым. Другие эпитеты: грудной, головной, рассыпанный, собранный, сконцентрированный, бархатный, глубокий, опертый или подснятый, далекий или близкий. Из негативных окрасок различают голоса зажатые, тремолирующие, гнусавые, гудкообразные. Однако все это бесконечное разнообразие с точки зрения акустики является изменением во времени только трех характеристик звука:

  • Частоты колебаний.
  • Амплитуды.
  • Состава сложного звука – спектра.

Именно их мы воспринимаем соответственно как высоту, силу и тембр.

Высота звука

Высота звука – это субъективное восприятие частоты периодических колебаний воздуха. Частота – количество колебаний в единицу времени, измеряется в Герца (Гц). Чем колебания чаще, тем выше для нас звук. Качество высоты звука рождается только в гортани. А именно – в голосовых связках человека. Сколько смыканий и размыканий осуществят они в процессе своих колебаний и сколько, соответственно, порций сгущенного подсвязочного воздуха они пропустят – такова и будет частота созданного звука, высота тона. Никаких других механизмов, которые могли бы изменить эту высоту после ее рождения в гортани нет. При любой частоте скорость звука в воздухе с температурой +18° С одинакова – 342 м/сек. Иначе невозможен был бы никакой оркестр – составляющие звуки аккордов не воспринимались бы как одномоментное звучание. Количество полных колебаний воздуха в секунду измеряется в Герцах (Гц). Мы говорим сейчас об основном тоне, без учета обертонов. Обертоны – призвуки, входящие в спектр музыкального звука. Высота обертонов выше основного тона. О них речь пойдет во второй части данной статьи.

Длина волны – расстояние между двумя соседними волнами, т. е. между двумя соседними сгущениями или разрежениями воздуха. Длина волны измеряется в метрах или сантиметрах.

Певческий голос. Часть 1: Поем слова. Природа и физика звука.

Поскольку скорость распространения для всех частот колебаний одна, то в 342 м/сек более частых колебаний уложится значительно больших, чем редких. Длина их волн будет соответственно короче. Частота колебаний обратно пропорциональна, таким образом, длине волны. Их произведение всегда равно 342 м/сек. Зная частоту мы легко можем вычислить длину волны и наоборот. Длина волны отражает то же качество, что и частота – высоту звука. Длинные волны и редкие колебания – это низкие звуки. Короткие волны и частые колебания – высокие.

Период – время полного колебания. Чем меньше частота колебаний, тем длиннее период каждого колебания.

Человеческое ухо способно воспринимать звуки с частотой от 16 до 20 000 Гц. Частоты певческих звуков охватывают небольшую часть этого диапазона: от 60 Гц в низких нотах баса до 1300 Гц в высоких нотах сопрано. Это соответствует длинам волн от 4,8 до 0,28 м.

Поведение волн при встрече с препятствиями

Мы уже писали выше, что у певцов существует представление о способности концентрировать, собирать звук, посылать его в различные отделы нёбного свода. Направлять звуковой поток по намеченному пути подобно тому, как мы можем собрать лупой солнечный луч или отразить его в желаемом направлении зеркалом. Особая «отражательная» роль отводится в этом смысле нёбному своду. Делаются попытки применить к звуку закон светового луча: угол падения равен углу отражения. Приведем исходные справочные значения, которые помогут нам ответить на вопрос – возможно ли это физически ДЛЯ ОСНОВНОГО ТОНА голоса? Напомним, что кроме основного тона, в голосе присутствуют обертоны.

Частота басового ми-бемоль большой октавы равна 75 Гц, что соответствует длине волны 4,5 м. Высокое до тенора – 512 Гц, длина волны 60 см. Высокое до сопрано – 1024 Гц, длина волны 30 см.

Закон светового луча в действительности применим только в том случае, когда размеры препятствия сравнимы или превышают длину волны. Если же отношения обратны и длина волны больше размеров препятствия, то происходит обтекание – дифракция.

Певческий голос. Часть 1: Поем слова. Природа и физика звука.

Посмотрите на размеры стенок ротоглоточной трубки и, в частности, на небный свод. Стенки надставной трубки не превышают 10-15 см, а длина волны мужских голосов исчисляется метрами. Закономерное отражение звуковых волн основного тона от поверхностей таких малых размеров невозможно – будет наблюдаться дифракция. Звук обтекает эти поверхности, загибается, скользя вдоль стенок, и не испытывает закономерного отражения. Поэтому невозможно ни направить звук в определенную часть тела, ни сконцентрировать его. Все эти действия находятся лишь в области субъективных ощущений!

Выйдя изо рта и попадая в помещение, этот же звук хорошо отражается от больших и твердых поверхностей стен, потолка, пола и других крупных по размеру предметов, значительно превышающих его длину волны. Потому методом расчета поведения звуковых волн по закону «угол падения равен углу отражения» пользуется архитектурная акустика. Для того чтобы звук голоса начал закономерно отражаться от стенок надставной трубки, т. е. от поверхностей порядка 8-15 см, он должен иметь длину волны <10 см, т.е. частоту >2800 Гц. Данная частота соответствует 4-5 октаве на фортепиано.

Значит, отражение возможно только для той части звуковой энергии, которая заключена в высоких обертонах певческого голоса. При равенстве длины волны и размеров препятствия 45% энергии начинает отражаться по закону «угол падения равен углу отражения». И чем меньше длина волны по сравнению с препятствием, тем больший процент энергии будет отражаться закономерно. Следовательно, чем выше обертоны голоса, тем полнее они отражаются по этому закону от нёбного свода и других стенок ротоглоточного канала. Обертоны, а не основной тон!

Сила звука

Сила звука – это наше субъективное восприятие амплитуды колебательных движений. Амплитуда не зависит от частоты колебаний. Если струну на фортепиано сначала слегка ударить молоточком, а потом сильно – высота звука не изменится. Изменится только сила вибраций струны. Иными словами, вырастет сила толчков, с которой струна будет да­вить на окружающие ее частицы воздуха. Размах их колебаний возрастет и звук для нас субъективно покажется более громким.

Самые сильные звуки, воспринимаемые человеческим слухом в 100 000 000000 000 раз больше самых слабых. Оперировать такими числами неудобно, поэтому применяется логарифмическая шкала и вводится единица силы звука – децибел (дБ). Какую силу звука, для примера, можно наблюдать в жизни?

  • Принимаем за 0 дБ порог слышимости.
  • Капающий водопроводный кран создает звук в 20 дБ.
  • Разговор двух мужчин – 40 дБ.
  • Проезжающий автомобиль – 60 дБ.
  • Оркестр – 80 дБ.
  • Отбойный молоток – 100 дБ.
  • Взлетающий самололет – 120 дБ.

Понятно, что на разном расстоянии сила звука от этих источников будет отличаться, но так мы можем хотя бы очень приблизительно их сопоставить.

На рисунке ниже показано измерение силы звука в ротоглоточном канале по Р. Юссону. Вверху – миниатюрный микрофон, укрепленный на длинном стержне. Им проводилось измерение. Во время пения микрофон вводился в глубину рта и затем постепенно вынимался. Внизу схема полостей, в которых проводилось измерение: 1 – вход в гортань, 2 – область глотки, 3 – ротовая полость, 4 – ротовое отверстие, 5 – сила звука в метре ото рта, 6 – область хоан, 7 – носовая полость у ноздрей.

Певческий голос. Часть 1: Поем слова. Природа и физика звука.

Посмотрите на результаты измерений.

  • А  при пении чистого звука А,
  • АН — при А с носовым оттенком (мягкое нёбо приспущено),
  • У — при пении звука У.
Певческий голос. Часть 1: Поем слова. Природа и физика звука.

Видно убывание силы звука в ротоглоточном канале по Р. Юссону. Цифры обозначают число децибел. У входа в гортань мы наблюдаем звук с силой 120 дБ. Но далее, на губах сила звука падает: для У на 16 дБ, для А на 10 дБ.

Голосовые связки играют роль периодически открывающегося крана, выпускающего в ротоглоточный канал порции сжатого воздуха. Но, кроме того, мышцы гортани вместе с мышцами, участвующими в выдохе, участвуют в создании повышенного подсвязочного давления. Звук – продукт работы дыхательных и гортанных мышц. В дальнейшем полученная в гортани звуковая энергия только растрачивается и никогда не прибавляется. Коэффициент полезного действия (КПД) голосового аппарата очень мал. По данным, приведенным Юссоном, только 1/10 – 1/50 часть звуковой энергии, родившейся в гортани, выходит из ротового отверстия. Это значит, что основная часть энергии поглощается внутри организма, вызывая вибрацию тканей головы, шеи, груди.

В значительной мере постановка голоса заключается в повышении КПД голосового аппарата. Это означает, что при наименьшей затрате мышечной энергии квалифицированные певцы получают максимальный акустический эффект.

Тембр звука. Основной тон и обертоны.

Что такое тембр? Музыкальные тоны на самом деле состоят из многих колебаний разной частоты и силы. Выделяют тон, который определяет высоту звука и частичные тоны – обертоны. Сумма звучания обертонов задает тембр, характер звучания. Как мы уже упоминали, источниками звуковых колебаний в музыкальных инструментах являются какие-либо упругие тела. Это могут быть струны, язычки, трости, губы. Когда они колеблются, то работают не только длиной, но и всеми своими частями. Каждая колеблющаяся часть толкает окружающий воздух со свойственной именно ей частотой, что и рождает обертоны. Струна совершает колебания с наибольшим размахом всей своей длиной. Но, как показывают наблюдения, струна совершает еще и внутренние, частичные колебания – половиной, третями, четвертями своей длины. Частота этих колебаний будет в 2, 3, 4 раз больше, чем частота колебания всей струны. Они передаются воздуху и входят в общее звучание, придавая ему определенный тембр:

Певческий голос. Часть 1: Поем слова. Природа и физика звука.

На рисунке показано колебание струны и камертона – не только всей длиной но и своими частями.

Для струны:

  • Колебание всей струны А-В дает основной тон.
  • А-с, с-В – октаву основного тона. Она колеблется в 2 раза чаще.
  • А-а, а-в, в-В – квинта октавы. Колебания в 3 раза чаще.

Для камертона:

  • 1 – основной тон.
  • 2 – октава.
  • 3 – квинта от октавы.

Амплитуда частичных колебаний уменьшается с увеличением порядка обертона. Такие частичные колебания, которые в несколько раз выше основного тона, называются гармоническими или просто гармониками. Это название дано им потому, что они звучат гармонично основному тону. Обертон, частота которого в два раза выше основного тона, звучит октавой к нему и именуется октавной гармонией. Тот, что в три раза выше основного тона – звучит квинтой через октаву и т.д. Если все эти звуки взять на фортепиано разом, будет слышно гармоничное звучание.

Представим себе теперь, что колеблется неровная струна – одна ее половина толще другой. В этом случае частичные колебания будут совершаться неравными половинками и соответственно рождать звуки не в 2, 3, 4 раза чаще основного тона, а, например, в 2,1 раза, 3,2 раза и т.д. Если послушать на фортепиано звучание таких тонов, то они будут диссонансами к основному тону. Так, обертон, который в 2,1 раза выше основного тона, звучит немного выше, чем октава – как увеличенная октава или нона. Поэтому такие обертоны называются негармоническими.

Количество обертонов может быть очень велико. В исходном тембре, возникающем в голосовой щели человека, их несколько десятков. Графически все обертоны можно изобразить по порядку в виде столбиков. Высота столбика будет отражать величину амплитуды соответствующего обертона. Это – спектр сложного звука.

Певческий голос. Часть 1: Поем слова. Природа и физика звука.

Схема иллюстрирует рождение обертонов:

  • Их графическое изображение в виде колебания струны.
  • Спектр и уменьшение амплитуды обертонов с возрастанием их порядка.
  • Звучание на слух гармонического ряда обертонов.

Второй обертон, который по частоте вдвое больше основного тона, называется октавным обертоном, потому что расстояние в октаву как раз соответствует удвоению частоты. Третий звучит квинтой в октаву.

Следовательно, рассматривая спектр какого-либо звука, мы как бы видим его обертоновый состав – тембр. Крайний левый столбик соответствует величине основного тона, а остальные обертоны расположены в порядке увеличения их частоты. Помним, что обертоны всегда изначально выше основного тона.

Если изобразить спектр колеблющейся струны, то амплитуда обертонов будет убывать по мере повышения их частоты. Наиболее сильно же будет выражен основной тон. Это происходит потому, что струна в целом колеблется с бОльшим размахом, чем ее части. Поэтому спектр ее имеет вид серии убывающих по силе обертонов. Однако если записать и проанализировать сложный звук музыкальных инструментов или человеческого голоса, то на спектре не получается того частокола убывающих амплитуд, который имеется у колеблющейся струны. Спектр меняется самым кардинальным образом. Посмотрите сложные кривые и спектры, получающиеся при записи музыкального звука.

Певческий голос. Часть 1: Поем слова. Природа и физика звука.

Видны области усиления обертонов – форманты, от которых зависит тембр этих инструментов (по Н. Гарбузову).

Основной тон оказывается в ряде случаев небольшим, а некоторые отдельные обертоны или группы обертонов выглядят резко усиленными. Это изменение исходного спектра источника колебаний связано с явлением резонанса дек, трубок, коробок и других резонаторов. В зависимости от инструмента, о котором идет речь, резонанс будет проявляться по-разному.

О явлении резонанса и формантах мы поговорим в следующей статье.

    Нажми для оценки
    [Голосов: 7 Среднее: 5]